Grundlagen der Programmierung Dr. Christian Herzog Technische Universität München Wintersemester 2010/2011 Kapitel 6: Objektbasierter und imperativer Programmierstil 2

Objektbasierter und imperativer Programmierstil - Kapitelüberblick Konzepte objektbasierter Programmierung Implementation von Klassen Instantiierung von Objekten (Konstruktor und new-Anweisung) Instanzvariable Konzepte imperativer Programmierung Zustand, Variable, Anweisung, Zuweisung Gültigkeitsbereich von Variablen Instanzvariable vs. lokale Variable Seiteneffekte Anweisungen Zuweisung Anweisungen zur Ablaufkontrolle (Bedingte Anweisung, Methodenaufruf, Schleifen)

Objektbasierte und imperative Programmierung Wir haben bisher schon einige Verfahren kennen gelernt, um Algorithmen und Systeme zu beschreiben: Textersetzungssysteme, Markov-Algorithmen, Grammatiken und funktionale Programme. Diese Verfahren betrachten eine Berechnung als Folge von Textersetzungen oder als Auswertung eines Ausdrucks. Wir betrachten jetzt Verfahren, in denen Berechnungen als Folge von Zustandsänderungen angesehen werden können. Objektbasierte Programmierung: Eine Berechnung ist eine Folge von Zustandsänderungen einer Menge von Objekten (als Instanzen einer Klasse). Imperative Programmierung: Die Zustandsänderungen in einem Algorithmus werden durch Anweisungen erreicht. Wichtige Konzepte objektbasierter Programmierung haben wir bereits in Kapitel 3 kennen gelernt: Klasse, Objekt, Konstruktor, Methodenaufruf

Java ist objektbasiert und imperativ Ein Java-Programm besteht aus einer Menge von Klassendefinitionen. Eine Klassendefinition enthält Methodendeklarationen (method declaration). Eine Methodendeklaration besteht aus Kopf (header) und Rumpf (body). Der Rumpf einer Methode besteht aus einer Menge von Anweisungen. In Java gibt es verschiedene Typen von Anweisungen: Deklarationsanweisungen, Bedingte Anweisungen, Zuweisungen, Return-Anweisungen, Schleifenanweisungen, Methodenaufrufe. Mehrzeilen- and Einzelzeilen-Kommentare kann man benutzen, um Java-Programme zu dokumentieren. Es gibt verschiedene Arten von Java-Programmen: Java-Applikationen (betrachten wir in dieser Vorlesung) Java Applets (werden von einem Browser aus gestartet)

Klassenentwurf Fünf wichtige Fragen, die wir beim Klassenentwurf stellen: Was ist die Aufgabe der Klasse? (Die Aufgabenstellung wird beim Systementwurf beschlossen, und im detaillierten Entwurf verfeinert) Welche Information braucht die Klasse, um ihre Aufgabe durchzuführen? Attribute, Variablen => Datenstrukturen Welche Dienste muss sie bereitstellen, um diese Information zu verarbeiten? Operationen, Methoden => Algorithmen Welche Dienste sind für andere Klassen öffentlich (public) verfügbar? Welche Dienste sind versteckt und für andere Klassen nicht verfügbar (private)?

Beispiel für eine Problemstellung Entwerfe und implementiere ein Programm, das das typische Verhalten fleißiger Studenten simuliert. Meinung von Domänenexperten: “Ein fleißiger Student führt drei Tätigkeiten durch:” schlafen denken studieren

Analyse Welche Klassen brauchen wir, und welche Dienste sollen sie verrichten? Die Klasse Student Repräsentiert einen Studenten Dienste: studiere(), denke() und schlafe(). Die Klasse Studentenverwaltungssystem: Repräsentiert die Menge aller Studenten an der TUM Dienste: Kreiert Studenten und führt Zustandsänderungen an Studenten aus.

Klassenentwurf: Student (in UML) Zustand: 3 Attribute vom Typ boolean: studiert, denkt und schlaeft -studiert: boolean -denkt: boolean -schlaeft: boolean Drei Operationen: Eine Operation studiere(), um Studenten in den Zustand studiert zu bringen. Eine Operation denke(), um Studenten in den Zustand denkt zu bringen. Eine Operation schlafe(), um Studenten in den Zustand schlaeft zu bringen. +studiere() +denke() +schlafe()

Klassenspezifikation Student Klassenname: Student Aufgabe: Repräsentation typischer Aktivitäten von Studenten Attribute: studiert: Wird auf true gesetzt, wenn Student studiert (private) denkt: Wird auf true gesetzt, wenn Student denkt (private) schlaeft: Wird auf true gesetzt, wenn Student schläft (private) Operationen: studiere(): Bringt ein Objekt vom Typ Student zum Studieren. denke(): Bringt ein Objekt vom Typ Student zum Denken. schlafe(): Bringt ein Objekt vom Typ Student zum Schlafen. Student -studiert: boolean -denkt: boolean -schlaeft: boolean +Student() +studiere() +denke() +schlafe() Student(): Instantiiert ein Objekt vom Typ Student. (Kriegen wir “umsonst” in Java: Konstruktor)

Implementation der Klasse Student (in Java) public class Student { // Attribute: private boolean studiert; // Zustand des Studenten private boolean denkt; private boolean schlaeft; public Student() { // Konstruktor: studiere(); // Setzt Zustand auf Studieren } // Ende des Konstruktors // Methoden: public void studiere() { // Start von studiere() studiert = true; // Ändere den Zustand denkt = false; schlaeft = false; } // Ende von studiere() public void denke() { // Start von denke() denkt = true; // Ändere den Zustand studiert = false; schlaeft = false; } // Ende von denke() public void schlafe() { // Start von schlafe() schlaeft = true; // Ändere den Zustand studiert = false; denkt = false; } // Ende von schlafe() } // Ende der Klasse Student void bedeutet hier, dass die Methode kein Ergebnis liefert.

Die Klasse Student Eine Klasse ist eine Schablone für Objekte (Instanzen). In unserem Fall ist jeder Student im initialen Zustand studiert. Jede Instanz einer Klasse besitzt für jedes Attribut der Klasse eine instanz-lokale Variable, die in Java auch als Instanzvariable bezeichnet wird. Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() Den Instanzvariablen studiert, denkt und schlaeft werden vom Konstruktor Anfangswerte zugewiesen.

Konstruktoren Jede Java-Klasse hat mindestens eine Methode, die denselben Namen hat wie die Klasse. Diese Methode heißt Konstruktor. Der Zweck eines Konstruktors ist es, die notwendigen Initialisierungen bei der Instantiierung eines Objekts dieser Klasse durchzuführen. Wenn man keinen Konstruktor angibt, dann gibt uns Java den so genannten Default-Konstruktor, der keine Argumente hat und keine spezielle Initialisierung durchführt. Der Konstruktor kann auch explizit deklariert werden. Programmierregel für Grundlagen der Programmierung: Der Konstruktor wird explizit angegeben.

Wie funktioniert ein Konstruktor? Das Schlüsselwort new kreiert eine neue Instanz einer Klasse, d.h. es kreiert ein neues Objekt. zum Beispiel: stud1 = new Student(); und ruft automatisch den Konstruktor Student() auf. Woher weiß die Methode Student(), auf welchen Daten sie operieren soll? Sie hat doch keine Parameter! Wichtig: Wenn eine Methode auf die Attribute ihrer eigenen Klasse zugreift, dann kann sie auf diese direkt zugreifen (ohne einen vorangestellten Objektbezeichner). zum Beispiel: public class Student { private boolean studiert; // Attribut Student() { // Konstruktor: studiert = true; // Direkter Zugriff aufs Attribut } // Ende des Konstruktors } // Ende der Klasse Student

Aufbau des Klassenkopfes (Class Header) Beispiel: public class Student // Klassenkopf { // Start des Klassenrumpfes } // Ende des Klassenrumpfes Allgemeiner Aufbau eines Klassenkopfes: KlassenModifikatoropt class KlassenName Superklasseopt public class Student extends Object Objekt-orientierte Programmierung (späteres Kapitel)

Imperative Programmierung Zustände werden durch die Ausführung von Anweisungen geändert. Die meisten heutigen objektbasierten Sprachen sind zugleich imperative Sprachen (d.h. sie enthalten Anweisungen) Beispiele für Programmiersprachen, die einen imperativen Programmierstil erlauben: 1950-1960: Fortran, Algol, Cobol, Simula 1970-1980: Pascal, C 1980-1990: C++ 1990- : Java In diesem Vorlesungsblock beschreiben wir Java's imperative Eigenschaften (Anweisungen, Ablaufstrukturen). Java's objektorientierte Eigenschaften (Vererbung, Polymorphismus) werden wir in einem späteren Kapitel behandeln.

Der Begriff „Variable“ in der imperativen Programmierung Definition (Programm-)Variable: Eine (Programm-)Variable ist ein Paar (Bezeichner, Wert). Zwei verschiedene Variablen können denselben Wert haben, aber ihre Bezeichner müssen unterschiedlich sein, sonst sind die Variablen nicht verschieden. Auf Variable kann man lesend und schreibend zugreifen. Dazu benötigt man eine Zugriffsfunktion. Beispiel: int zaehler; int k; zaehler = 1; zaehler = 5; if (zaehler == 5) k = 5 else k = 7;

Funktionale vs. Imperative Programmierung In der imperativen Programmierung ist eine Variable eine Größe, die ihre Identität behält, aber ihren Wert ändern kann. In der imperativen Programmierung ordnet die Zuweisung v = a der Variablen v den Wert a zu. Dieser Wert kann durch eine andere Zuweisung v = b überschrieben werden. In der funktionalen Programmierung ist eine Variable eine Größe (z.B. x), die durch Substitution (z.B. false für x) einen bestimmten, ab diesem Zeitpunkt unveränderlichen Wert erhält. In der funktionalen Programmierung ordnet die Definition v = a der Variablen v den Wert a endgültig zu. Der Wert ist nach der Zuweisung unveränderlich. (Im letzten Kapitel haben wir Variable nur als formale Parameter kennengelernt.) In der imperativen Programmierung geht das übrigens auch: v heißt dann eine Konstante.

Instanzvariablen vs. Lokale Variablen Innerhalb einer Klasse unterscheidet Java Instanzvariablen (instance variables), die auf Klassenebene als Attribute deklariert werden und in Objekten instantiiert werden. Lokale Variablen (local variables), die innerhalb von Methoden oder allgemeiner innerhalb einer Verbundanweisung (eines Blocks, siehe später) deklariert werden können. Auch die formalen Parameter gehören zu den lokalen Variablen einer Methode. Eine Instanzvariable kann einen Modifizierer haben (private, public), eine lokale Variable nicht. In nicht objektbasierten Programmiersprachen (z.B. C oder Pascal) nennt man bei Variablen, die außerhalb von Methoden (dort Funktionen und Prozeduren genannt) deklariert werden, auch globale Variable.

Deklaration von Instanzvariablen Beispiel: // Instanzvariablen private boolean studiert = true; private boolean denkt = false; private boolean schlaeft = false; Allgemeiner: Modifiziereropt TypId Bezeichner Initialisiereropt Gültigkeitsbereich (scope) von Instanzvariablen: Instanzvariablen haben Klassengültigkeitsbereich (class scope), d.h ihre Namen können beliebig innerhalb der Klasse verwendet werden, in der sie definiert sind.

Deklaration von lokalen Variablen Beispiel: public void nächsterZustand () { boolean b = studiert; // lokale Variable studiert = schlaeft; schlaeft = denkt; denkt = b; } Allgemeiner: TypId Bezeichner Initialisiereropt Gültigkeitsbereich von lokalen Variablen: ab ihrer Deklaration bis zum Ende des Blocks, der sie umgibt. Verschattung: Wenn lokale Variable dieselbe Bezeichnung haben wie weiter außen deklarierte Variable, so unterbrechen sie deren Gültigkeit (nur die innerste ist gültig).

Zugriffskontrolle: public vs. private Instanzvariablen sind bei uns (Vorlesung und Übung) immer als private deklariert. Dadurch sind sie für Objekte anderer Klassen nicht direkt zugreifbar. Methoden, die Zugriff auf geschützte Variablen erlauben sollen, werden als public deklariert. Die Menge der öffentlichen (public) Methoden definiert die Schnittstelle der Klasse, nämlich die Methoden, auf die von Objekten anderer Klassen zugegriffen werden kann.

Warum sollen Instanzvariablen “private” sein? Öffentliche Instanzvariablen können zu einem inkonsistenten Zustand führen. Beispiel: Nehmen wir an, wir definieren studiert, denkt und schlaeft als öffentliche Variablen: public boolean studiert; public boolean denkt; public boolean schlaeft; Dann sind folgende Zugriffe erlaubt: georg.studiert = false; georg.denkt = true; georg.schlaeft = true; // Inkonsistenter Zustand! Die einzige richtige Art, Georg denken (und nicht schlafen) zu lassen, ist, die zugehörige Zugriffsmethode aufzurufen: georg.denke(); // denke() ist public

Seiteneffekte Wenn eine Methode Instanzvariablen verändert, so nennt man das auch einen Seiteneffekt der Methode. Seiteneffekte sind erwünscht, wenn sie - wie auf den vorangegangenen Folien - den konsistenten Zugriff auf Instanzvariable erlauben. In Methoden, die ein Ergebnis liefern, durchbrechen Seiteneffekte das funktionale Konzept. diese Methoden sehen wie Funktionen aus, sind aber keine Funktionen im Sinne von Kapitel 5. Beispiel: public boolean studentSchlaeft() { boolean erSchlaeft = schlaeft; studiere(); return erSchlaeft; } Solche Seiteneffekte sind mit Vorsicht zu behandeln. In der Regel versagen die Beweismethoden aus Kapitel 5!

Anweisungen Anweisungen in der imperativen Programmierung: Sie verändern den Zustand. Sie regeln den Programmablauf (Kontrollfluss). Arten von Anweisungen: Deklarationsanweisung Zuweisung Anweisungen zur Regelung des Kontrollflusses (Anweisungssequenzen, bedingte Anweisungen, Schleifen, Methodenaufruf, return-Anweisung) new -Anweisung ...

Deklarationen: Java-Bezeichner Ein Java-Bezeichner (identifier) ist ein Name für eine Variable, Methode, oder Klasse. Ein Java-Bezeichner muss mit einem Buchstaben beginnen, gefolgt von einer beliebigen Folge von Buchstaben, Zahlen und Unterstrich-Zeichen (‘_’). Erlaubt: Student studiere, schlafe, Student1, Student_2 Nicht erlaubt: Cyber Student 30Tage Student$ n!

Deklaration von Methoden Allgemeiner Aufbau des Methodenkopfes Modifiziereropt ResultatTyp MethodenName ( FormaleParameterListe ) public static void main (String[] argv) public void paint (Graphics g) protected int zaehle (Studentenverzeichnis s) public void studiere () Definition einer öffentlichen Methode ohne Ergebnis public void methodenName(...) // Methodenkopf { // Beginn des Methodenrumpfs ... } // Ende des Methodenrumpfs

Methodendeklaration Kopf: Diese Methode namens studiere ist von anderen Objekten zugreifbar (public) und liefert kein Ergebnis zurück (void). public void studiere() { studiert = true; denkt = false; schlaeft = false; return; } // studiere() Rumpf: Ein Block von 4 Anweisungen, die den Studentenstatus auf studiert setzen. Die return-Anweisung kann in diesem Fall (void) fehlen. Sie wird dann implizit am Ende des Rumpfes ausgeführt.

Die Zuweisungsanweisung Die grundlegende Operation auf einer Variablen in der imperativen Programmierung ist die Zuweisung. Allgemeine Form: VariablenName = Ausdruck Der Ausdruck auf der rechten Seite des Zuweisungsoperators wird ausgewertet, und der Wert wird in VariablenName auf der linken Seite gespeichert. Beispiel: studiert = true; denkt = false; schlaeft = 100; // Typ-Fehler Typ-Fehler (Type error): Der Typ des Wertes, der zuzuweisen ist, muss derselbe sein wie der Typ der Variablen (strong typing).

Zuweisungsoperator und Gleichheitsoperator in Java In Java wird für den Zuweisungsoperator das Gleichheitszeichen '=' verwendet. Die Gleichheitsüberprüfung wird durch '==' ausgedrückt. Wichtig: Ein oft gemachter Fehler ist die Benutzung des Java-Zuweisungsoperators "=" anstelle des Java-Gleichheitsoperators "==". Beispiel: Die Anweisungen boolean studiert = false; if (studiert = true) { System.out.println("Student studiert."); } sind syntaktisch korrekt, aber semantisch falsch. Eine Zuweisung ist in Java immer auch ein Ausdruck. Ihr Typ und ihr Wert sind identisch dem Typ und dem Wert des Ausdrucks auf der rechten Seite. Semantische Fehler wie diese können von Compilern nicht gefunden werden!

Zuweisung von Referenzen auf Objekte Eine Variable kann nicht nur Werte wie false oder 100 speichern, sondern auch einen Verweis (“Referenz”, “Addresse”) auf ein Objekt. Student stud1, stud2; // Deklaration von 2 Variablen stud1 = new Student(); // Erzeugt Objekt vom Typ Student Nach der Instantiierung verweist stud1 auf ein Objekt vom Typ Student. stud1: stud2: Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() Die andere Variable stud2 kann irgendwann mal auf ein Student-Objekt verweisen, aber ihre Referenz ist zur Zeit nicht definiert (null).

Zuweisung von Referenzen auf Objekte Eine Variable kann nicht nur Werte wie false oder 100 speichern, sondern auch einen Verweis (“Referenz”, “Addresse”) auf ein Objekt. Student stud1, stud2; // Deklaration von 2 Variablen Mit der Deklaration dieser Variablen sind die Variablen noch nicht initialisiert. stud1 = new Student(); // Erzeugt Objekt vom Typ Student new Student() beinhaltet einen Aufruf des Konstruktors Student() der Klasse Student Nach der Instantiierung verweist stud1 auf ein Objekt vom Typ Student. stud1: stud2: Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() Die andere Variable stud2 kann irgendwann mal auf ein Student-Objekt verweisen, aber ihre Referenz ist zur Zeit nicht definiert (null).

Erzeugung einer weiteren Student-Instanz Jetzt rufen wir auch für stud2 die Konstruktormethode auf: Student stud1, stud2; stud1 = new Student(); stud2 = new Student(); Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() stud1: Zwei Objekte vom Typ Student mit Namen, stud1 und stud2, beide am Studieren. Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() stud2:

Zuweisung an Referenzvariablen Nun führen wir eine Zuweisung an die Variable stud2 aus: Student stud1, stud2; stud1 = new Student(); stud2 = new Student(); stud2 = stud1; Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() stud1: stud2: Student false true studiert denkt schlaeft studiere() denke() schlafe() stud2: Diese Objekt ist nicht mehr erreichbar. (Garbage)

Strukturierte Programmierung Definition Strukturierte Programmierung: Imperative Programme, die nur mit bestimmten Ablaufstrukturen (Typen von Anweisungen) geschrieben werden. Diese sind: Anweisungssequenz --- Eine Folge von Anweisungen, die eine nach der anderen sequentiell ausgeführt werden. Selektion --- Eine Anweisung, die eine Wahl zwischen zwei oder mehr Alternativen von Anweisungssequenzen erlaubt (Bedingte Anweisung (if, if-else), Fallunterscheidung (switch)). Repetition (Schleife) --- Eine Anweisung, die es erlaubt, eine Anweisungssequenz zu wiederholen (for, while, und do-while Struktur). Methodenaufruf --- Eine Anweisung, die die Kontrolle im Programm zur benannten Methode überträgt. Wenn diese Methode ausgeführt worden ist, wird die Ausführung an der Stelle unmittelbar nach dem Methodenaufruf fortgesetzt. Streng verboten (auch wenn in den meisten Sprachen möglich) ist: goto

Die 4 Konstrukte der Strukturierten Programmierung False True Selektion Egal, wie groß oder klein ein Programm ist, es kann nur durch eine beliebige Kombination dieser 4 Konstrukte beschrieben werden. Jede dieser Konstrukte hat genau einen Eingang (entry) und genau einen Ausgang (exit). Anweisungssequenz False True Repetition Methode 1 Methode 2 Methodenaufruf

Anweisungssequenz: Anweisungen und Verbundanweisungen Eine Anweisungssequenz besteht aus einer Menge von Anweisungen (statements). Die Reihenfolge, in der diese Anweisungen ausgeführt werden, bestimmt den Kontrollfluss im Programm. In einer Anweisungssequenz werden Anweisungen von anderen Anweisungen durch Strichpunkt „;“ getrennt. Ein Block, auch Verbundanweisung (compound statement) genannt, ist eine Folge von Anweisungen, die durch Klammern "{" und "}" eingegrenzt sind. Ein Block selbst ist dann wieder eine Anweisung. Beispiele von Anweisungssequenzen: i = i + 1; i = 1; j = 3; stud1.denke(); {int i = 1; int j = i + 1; k = i + j;} Ein Block mit lokalen Variablen i und j.

Bedingte Anweisungen: Die if-Anweisung boolean expression statement true false In Java: if ( boolean expression ) statement ; Wenn der boolesche Ausdruck “boolean expression“ wahr ist, dann wird “statement“ ausgeführt. Sonst wird es übergangen.

Bedingte Anweisungen: Die if-then-else-Anweisung boolean expression statement1 true false statement2 In Java: if ( boolean expression ) statement1; else statement2 ; Wenn der boolesche Ausdruck “boolean expression “ wahr ist, führe “statement1” aus, sonst “statement2”.

Bedingte Ausdrücke und bedingte Anweisungen Bedingte Ausdrücke hatten wir schon in der funktionalen Programmierung kennengelernt: return boolean_expression ? A1 : A2; Beispiel: int abs(int x) { return x < 0 ? -x : x; } Solche bedingte Ausdrücke werden wir nun immer als bedingte Anweisungen (und damit besser lesbar) formulieren: if (x < 0) return -x ; else return x;

Beispiele von bedingten Anweisungen Einfaches if if (studiert) System.out.println("Ist am Studieren"); if-then-else if (studiert) System.out.println("Ist am Studieren"); else System.out.println("Ist nicht am Studieren");

Mehrfach geschachtelte bedingte Anweisungen schlaeft false true Wir können mehrere bedingte Anweisungen verschachteln, um eine Auswahl zwischen mehr als zwei Alternativen zu realisieren. false true studiert “Ich schlafe” false denkt true “Ich studiere” “Ich weiss nicht, was ich tue” “Ich denke” Auch komplizierten verschachtelte Anweisungen ("Mehrweganweisung") haben nur einen Eingang und einen Ausgang.

Beispiel einer Mehrweganweisung … Mehrweg-Auswahl if (schlaeft) System.out.println("Ich schlafe."); else if (studiert) System.out.println("Ich studiere."); else if (denkt) System.out.println("Ich denke."); else System.out.println( "Ich weiss nicht, was ich tue.");

Das “hängendes-else”-Problem Was wird hier gedruckt, wenn condition1 == false gilt? if (condition1) if (condition2) System.out.println("Eins"); else System.out.println("Zwei"); if (condition1) if (condition2) System.out.println("Eins"); else System.out.println("Zwei"); “Falsche” Einrückung Korrekte Einrückung Als Programmierer müssen Sie sorgfältig darauf achten, dass jedes else zu seinem korrespondierenden if gehört. Regel: Eine else-Klausel gehört immer zur innersten if-Klausel. Einrückungen sollen die Logik Ihres Programms reflektieren, es lesbarer machen, aber…. Einrückungen werden vom Compiler ignoriert.

Vermeiden Sie hängendes else Verwenden Sie immer Verbundanweisungen, d.h. geschweifte Klammern, um die then- und else-Zweige zu kennzeichnen, auch wenn diese nur aus einer Anweisung bestehen: Nicht so gut: if (condition1) if (condition2) { System.out.println("Eins"); System.out.println("wahr"); } else System.out.println("Zwei"); if (condition1) { if (condition2) { System.out.println("Eins"); System.out.println("wahr"); } else { System.out.println("Zwei"); Empfehlenswert:

Methodenaufruf und return Ein Methodenaufruf verursacht einen Transfer der Kontrolle innerhalb eines Programms zur ersten Anweisung in der aufgerufenen Methode. Eine return-Anweisung (return statement) bringt die Kontrolle wieder zurück zur Anweisung, die den Aufruf verursacht hat. Methode1() Methode2() Anweisung2; Methode2(); Anweisung1; return; Eine return-Anweisung kann auch benutzt werden, um eine Methode vorzeitig zu verlassen. Z.B. zur Vermeidung geschachtelter if-else-Konstrukte

return-Anweisung zur Vermeidung geschachtelter if-else-Konstrukte Eine Methode mit geschach-teltem if-else-Konstrukt: Dieselbe Methode mit return-Anweisungen: void meineMethode () { if (Bed1) { if (Bed2) { if (Bed3) { <<eigentlicher Rumpf>> } else { System.out.print("Bed3!"); System.out.print("Bed2!"); System.out.print("Bed1!"); return; void meineMethode () { if (! Bed1) { System.out.print("Bed1!"); return; } if (! Bed2) { System.out.print("Bed2!"); if (! Bed3) { System.out.print("Bed3!"); <<eigentlicher Rumpf>> Diese Stelle wird nur erreicht, wenn alle 3 Bedingungen wahr sind.

Schleifenstrukturen (Wiederholungsanweisungen) Definition Schleifenrumpf (loop body): Eine Anzahl von Anweisungen, die innerhalb der Schleifenanweisung durchlaufen wird. Definition Schleifeneintrittsbedingung (loop entry condition): Muss wahr sein, damit der Schleifenrumpf (erneut) ausgeführt wird. In der strukturierten Programmierung gibt es 3 Typen von Schleifenstrukturen: Zählschleife: Eine Wiederholungsanweisung, in der bereits vor Beginn der Schleifenausführung klar ist, wie oft der Schleifenrumpf insgesamt durchlaufen werden muss. while-Schleife: Eine Wiederholungsanweisung, in der die Schleifenbedingung vor jedem Eintritt in den Schleifenrumpf abgefragt wird. do-while-Schleife: Eine Wiederholungsanweisung, in der die Schleifenbedingung nach jeder Ausführung des Schleifenrumpfes abgefragt wird.

k ist eine lokale Variable der Schleife. Die Zählschleife Allgemeine Struktur: for (Zählerinitialisierung; Schleifeneintrittsbedingung; Weiterschaltung) Schleifenrumpf; Beispiel: for ( int k = 0; k < 100; k = k+1 ) System.out.print("Hello"); Der Schleifenrumpf kann eine einzelne Anweisung oder eine Verbundanweisung (Block) sein. k ist eine lokale Variable der Schleife.

Gültigkeitsbereich für Schleifenvariablen Eine Schleifenvariable ist eine lokale Variable. Wenn k innerhalb der for-Anweisung deklariert ist, kann es nicht außerhalb des Schleifenrumpfes verwendet werden: k++ ist Abkürzung für k = k+1 for (int k = 0; k < 100; k++) System.out.println("Hello"); System.out.println(k); // Syntaxfehler: k nicht deklariert Wenn k außerhalb der for-Anweisung deklariert ist, kann es auch außerhalb benutzt werden: int k; // Deklaration der Schleifenvariable for (k = 0; k < 100; k++) System.out.println("Hello"); System.out.println(k); // Jetzt kann k außerhalb des // Schleifenrumpfes benutzt werden ausgedruckt wird 100

Zählschleifen können nach oben oder unten zählen Eine Zählschleife initialisiert den Zähler mit einem Anfangswert und zählt 0 oder mehr Iterationen, bis die Grenze der Schleife (loop bound)  erreicht ist. Die Schleifeneintrittsbedingung testet, ob die Grenze der Schleife erreicht worden ist. k-- ist Abkürzung für k = k-1 public void countdown() { for (int k = 10; k > 0; k--) System.out.println(k); System.out.println(”Start"); } // countdown() Bei der Weiterschaltung muss ein Fortschritt in Richtung Schleifengrenze erzielt werden, sonst gibt es eine unendliche Schleife.

Unendliche Zählschleifen Beispiele k += 2 ist Abkürzung von k = k+2 for (int k = 0; k < 100 ; k--) // Werte von k: 0,-1,-2, … System.out.println("Hello"); for (int k = 1; k != 100 ; k += 2) // Werte von k: 1,3,…,99,101,… In beiden Fällen macht die Weiterschaltung überhaupt keinen Fortschritt in Richtung Schleifengrenze und die Schleifeneintrittsbedingung wird deshalb nie false. Vergleiche: Terminierung rekursiver Funktionen (Kapitel 5)

Geschachtelte Zählschleifen Nehmen wir an, Sie sollen folgende Tabelle mit 4 Zeilen und 9 Spalten drucken: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3 6 9 12 15 18 21 24 27 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Hier können Sie man eine geschachtelte Zählschleife verwenden: Die äußere Schleife (outer loop) druckt die 4 Zeilen. Die innere Schleife (inner loop) druckt die 9 Spalten. Konkatenation auf Strings for (int row = 1; row <= 4; row++) { // Für jede der 4 Zeilen for (int col = 1; col <= 9; col++) { // Für jede der 9 Spalten System.out.print(col * row + "\t"); } // innere Schleife: Druckt insgesamt 36 Zahlen System.out.println(); // Starte eine neue Zeile } // äußere Schleife

Beispiel: iterative Fassung der Funktion summe Rekursive Fassung der Funktion summe aus Kapitel 5: int summe (int n) { return n==0 ? 0 : summe(n-1) + n; } Iterative Fassung der Funktion summe mit for-Schleife: int summe (int n) { int result = 0; for (int i=1; i<=n; i++) { result += i; } return result;

Analog: iterative Fassung der Funktion fakultaet Rekursive Fassung der Funktion fakultaet aus Kapitel 5: int fakultaet (int n) { return n==0 ? 1 : fakultaet(n-1) * n; } Iterative Fassung der Funktion fakultaet mit for-Schleife: int fakultaet (int n) { int result = 1; for (int i=1; i<=n; i++) { result *= i; } return result;

Beispiel: iterative Berechnung der Fibonacci-Zahlen Rekursive Berechnung der Fibonacci-Zahlen aus Kapitel 5: int fib (int n) { return n==0 ? 0 : n==1 ? 1 : fib(n-1) + fib(n-2); } Iterative Berechnung der Fibonacci-Zahlen mit einer Zählschleife: Mehrere Deklarationen vom selben Typ können durch Komma getrennt angegeben werden int fib (int n) { if (n <= 1) return n; int fibNminus1 = 1, fibNminus2 = 0; for (int i=2; i<n; i++) { int fibNminus1Alt = fibNminus1; fibNminus1 = fibNminus1 + fibNminus2; fibNminus2 = fibNminus1Alt ; } return fibNminus1 + fibNminus2; Lokale Variable im Schleifen- rumpf Kann man abkürzen mit fibNminus1 += fibNminus2;

Die while-Schleife Allgemeine Struktur: while (Schleifeneintrittsbedingung) Schleifenrumpf; Beispiel (Zählschleife als while-Schleife): int k = 0; while (k < 100) { System.out.println("Hello"); k++; }

Beispiel: iterative Fassung des ggT Rekursive Fassung des ggT aus Kapitel 5: int ggT (int a, int b) { return a==b ? a : a>b ? ggT(a-b, b) : ggT(a, b-a); } Umwandlung der repetitiven Rekursion in eine while-Schleife: int ggT (int x, int y) { int a=x; int b=y; while (a != b) { if (a > b) a = a-b; else b = b-a; } return a;

Beispiel: iterative Berechnung der Länge einer Sequenz Rekursive Berechnung der Länge einer Integer-Sequenz aus Kapitel 5: int laenge (IntSequenz s) { return isEmpty(s) ? 0 : laenge(rest(s)) + 1; } Iterative Berechnung der Länge mit einer while-Schleife: int laenge (IntSequenz s) { int result = 0; IntSequenz r = s; while (!isEmpty(r)) { result++; r = rest(r); } return result;

Zählschleife zur Fortschaltung eines Pegels Betrachten wir noch einmal die gerade angegebene Methode: int laenge (IntSequenz s) { int result = 0; IntSequenz r = s; while (!isEmpty(r)) { result++; r = rest(r); } return result; Die Variable r übernimmt hier die Rolle eines Pegels, der durch eine lineare, rekursive Datenstruktur geschoben wird. In diesem Fall wird oft eine for-Schleife verwendet. Auch wir wollen diesen Ausnahmefall bei der strukturierten Programmierung zulassen: int laenge (IntSequenz s) { int result = 0; for (IntSequenz r=s; !isEmpty(r); r=rest(r)) result++; return result; }

Allgemein: Zählschleife als while-Schleife In Java kann die Zählschleife als abgekürzte Schreibweise einer while-Schleife aufgefasst werden: for (Zählerinitialisierung; Schleifeneintrittsbedingung; Weiterschaltung) Schleifenrumpf; ist Abkürzung für: { Zählerinitialisierung; while (Schleifeneintrittsbedingung) { Schleifenrumpf; Weiterschaltung; } Der äußere Block wird benötig, um Schleifen-lokale Variablen deklarieren zu können. In der strukturierten Programmierung verwenden wir die for-Schleife nur als Zählschleife oder zum Fortschalten eines Pegels! Damit kann vieles (fast alles), was als while-Schleife formuliert wird, auch als for-Schleife formuliert werden!

Die do-while-Schleife Allgemeine Struktur: do Schleifenrumpf; while (Schleifeneintrittsbedingung) Der Schleifenrumpf wird mindestens einmal ausgeführt. Er wird bereits ausgeführt, ehe die Schleifeneintrittsbedingung zum ersten Mal getestet wird. Der Schleifenrumpf wird solange ausgeführt, bis die Schleifeneintrittsbedingung nicht mehr wahr ist.

Das Standardbeispiel für eine do-while-Schleife: Validierung von Eingabedaten Problem: Mache es unmöglich, fehlerhafte Klausurergebnisse einzugeben. Gültige Ergebnisse: 0 Punkte bis 40 Punkte (weder -10 Punkte noch 55 Punkte sind akzeptierbare Ergebnisse) Algorithmus: Benutze eine do-while-Schleife für diese Aufgabe, denn der Benutzer benötigt eventuell mehr als einen Versuch, ein gültiges Ergebnis einzugeben. Der Algorithmus in „Pseudocode“: do { <<get the next grade from user>>; // Initialisierung if (grade < 0 || grade > 40) // Fehlerfall <<print an error message>>; } while (grade < 0 || grade > 40); // Wächtertest

Zusammenfassung Schleifenstrukturen Eine Zählschleife (for-Schleife) sollte man benutzen, wenn man von vornherein weiss, wieviele Iterationen benötigt werden, oder wenn eine lineare Datenstruktur „durchlaufen“ wird. Eine while-Schleife sollte man verwenden, wenn der Schleifenrumpf eventuell überhaupt nicht ausgeführt werden soll. Eine do-while-Schleife sollte man verwenden, wenn eine oder mehr Iterationen durchgeführt werden. Eine unendliche Schleife ist das Resultat einer fehlerhaft spezifizierten Initialisierung, Weiterschaltung oder einer schlecht gewählten Schleifeneintrittsbedingung oder sie ist beabsichtigt.

Einschub: Implementationsheuristiken ("Gute Ratschläge") Modularität: Code, der wiederholt an mehreren Stellen im Programm auftritt, sollte in einer Methode zusammengefasst werden. Das reduziert die Redundanz und erleichtert das Testen/Debugging und spätere Modifikationen des Codes. Für jede Aufgabe eine Methode: Jede Methode sollte nur eine Aufgabe implementieren. Sehr lange Methoden (mehr als eine Seite), sind oft ein Hinweis, dass man zu viele Aufgaben in eine Methode gesteckt hat. Benutzerschnittstelle: Benutze eine Eingabeaufforderung (prompt), um den Benutzer zu informieren, sobald das Programm eine Eingabe erwartet. Informiere den Benutzer, welche Art von Eingabe erwartet wird. Zeige dem Benutzer positiv an, dass seine Eingabe akzeptiert ist.